32.45%钙钛矿/硅叠层电池：基于π-π相互作用实现效率与稳定性双提升

在反式钙钛矿太阳能电池中，自组装分子（SAM）作为空穴选择层具有成本低、可溶液加工、能级可调等优点，已助力单结电池效率达到27.3%，钙钛矿/硅叠层电池效率超过34.85%。然而，SAM材料因其两亲性分子结构，在常用溶剂中容易形成胶束，导致薄膜不均匀、堆积无序，进而增加界面非辐射复合，限制效率和稳定性的进一步提升。美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用AAA级LED太阳光模拟器作为老化光源，可通过多种方式对电池进行控温并控制电池所处的环境氛围，进行长期的稳定性能测试。

本研究人员尝试了共溶剂、分子掺杂、共SAM等多种策略，但最根本的途径是通过分子设计内在抑制聚集。关键在于调控π-π相互作用：过度堆积会导致聚集，适度堆积则有助于形成致密有序的多层结构，促进垂直方向电荷传输。基于此，本文合成了Me-Ph2mPACz，其苯环连接臂的间位对称连接两个二甲基咔唑单元。

分子设计策略

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分子设计

为解决上述问题，研究者设计了一种新型SAM材料——Me-Ph2mPACz。该分子在苯环连接臂的间位对称连接两个二甲基咔唑单元。与单取代咔唑SAM（Me-PhpPACz）相比，Me-Ph2mPACz展现出以下优势：

更强的吸附能力：DFT计算显示，Me-Ph2mPACz在NiOₓ上的吸附能更高（3.41 eV vs. 2.46 eV），有利于形成稳定的锚定。

更大的偶极矩：1.27 Debye vs. 1.18 Debye，有助于能级调控。

更连续的π-π相互作用：分子结构更平面化，能够形成贯穿整个二聚体的连续π-π堆积，同时削弱膦酸锚定基团之间的氢键作用，从而抑制胶束形成。

自组装行为与薄膜结构表征

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动态光散射（DLS）结果显示，Me-PhpPACz溶液中存在数百纳米的宽分布聚集体，而Me-Ph2mPACz的聚集体尺寸小于10 nm，表明其更易于形成均匀薄膜。

X射线衍射（XRD）和掠入射广角X射线散射（GIWAXS）进一步揭示：

Me-Ph2mPACz薄膜在约8°处出现明显衍射峰，表明其堆积更为有序。

在面外方向，Me-Ph2mPACz呈现尖锐的π-π堆积衍射点，而Me-PhpPACz则显示多个弥散弧，说明后者堆积无序。

研究者认为，Me-Ph2mPACz形成了由锚定层和上层π-π堆积层组成的多层结构，其中上层对性能起主导作用。

SAM对钙钛矿层的影响

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SAMs 的性质及其对钙钛矿的影响

Me-Ph2mPACz薄膜具有更高的分子面密度（3.06×10¹³ cm⁻² vs. 2.00×10¹³ cm⁻²），表面更均匀（粗糙度更低，电位分布更均一），接触角更大（88.9° vs. 74.2°），更有利于后续钙钛矿沉积。

在此基础上生长的钙钛矿薄膜表现出：

更平滑的表面和更少的PbI₂残留

更少的垂直晶界

残余应力显著降低（从压应力-0.17趋近于无应力状态）

原位光致发光（PL）监测表明，Me-Ph2mPACz促进了钙钛矿的快速成核并延缓了晶化过程，从而释放了薄膜内部的残余应力。这一机制归因于其形成的小尺寸、均匀溶液聚集体在沉积后易于解离，形成致密有序的多层结构。

热稳定性与分子耐久性

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热重分析显示，Me-Ph2mPACz的5%热分解温度为440 °C，远高于Me-PhpPACz的316 °C。在85 °C老化1000小时后，Me-Ph2mPACz薄膜的结晶信号和形貌几乎无变化，而Me-PhpPACz薄膜出现明显脱附和团聚。XPS冲洗实验进一步证实，Me-Ph2mPACz具有更强的抗热和抗溶剂能力。

载流子动力学与界面特性

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钙钛矿的载流子动力学

能级分析表明，Me-Ph2mPACz的电离能（5.37 eV）与钙钛矿（5.38 eV）高度匹配，减少了空穴传输势垒。真空能级位移从0.01 eV（Me-PhpPACz）提高到0.12 eV（Me-Ph2mPACz），归因于其面-上堆积形成的垂直偶极。

时间分辨PL（TRPL）显示，Me-Ph2mPACz的界面电荷提取更快（τ₁更短），非辐射复合被抑制（τ₂更长）。飞秒瞬态吸收（fs-TA）进一步验证了空穴转移的加速。准费米能级分裂（QFLS）从1.264 eV提升至1.318 eV，电致发光外量子效率（EQEEL）从0.15%提升至0.82%，相应的非辐射VOC损失从168 mV降至124 mV。

器件性能

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光伏性能与稳定性

单结器件（1.68 eV宽带隙钙钛矿电池）：

Me-Ph2mPACz基冠军器件PCE达23.14%，VOC为1.26 V，JSC为21.54 mA cm⁻²，FF为85.3%，迟滞可忽略；而Me-PhpPACz基冠军器件PCE为21.82%。统计数据显示Me-Ph2mPACz器件在VOC和FF上均有系统提升，理想因子更低（1.49 vs. 1.74），暗电流更小。

钙钛矿/硅叠层器件：

将上述顶电池与硅异质结底电池集成，Me-Ph2mPACz基叠层器件的冠军PCE达33.40%（反向扫描），稳定效率33.17%，经NREL认证为32.45%。相比之下，Me-PhpPACz叠层器件冠军PCE为32.35%。

稳定性

单结器件：未封装条件下，在N₂氛围、25 °C、1-sun LED下MPPT追踪1000小时后，Me-Ph2mPACz器件保持95%初始效率。

叠层器件：封装后在85 °C空气中连续1-sun光照1000小时，Me-Ph2mPACz器件仍保持83%初始效率，而对照器件仅剩35%。

本研究通过间位双二甲基咔唑取代策略，设计了Me-Ph2mPACz自组装分子。该分子利用增强的π-π相互作用抑制SAM聚集，形成致密、有序且热稳定的多层结构，从而缓解钙钛矿残余应力，均匀化表面电位，优化能级排列，加速空穴提取并显著减少非辐射复合。最终在单结和叠层器件中均实现了效率和稳定性的显著提升，为高性能自组装空穴选择层的分子设计提供了新范式。

钙钛矿复合式MPPT测试仪

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美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用A+AA+级LED太阳光模拟器作为老化光源，以其先进的技术和多功能设计，为钙钛矿太阳能电池的研究提供了强有力的支持。

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美能钙钛矿复合式MPPT测试仪主要应用于成品钙钛矿单结，叠层成品电池稳定性测试。由于钙钛矿电池的输出特性易受光照、温度等环境因素影响，其最大功率点会频繁波动。MPPT控制器通过实时追踪并锁定最大功率点，能确保系统始终以最优功率输出。这不仅能最大化发电量，还能提升整个光伏系统的工作稳定性和经济性。